海水胁迫下菠菜叶片叶黄素循环调控叶绿素代谢的机理研究

摘要

我国海水资源丰富，海水栽培作为有效利用海水资源的重要方式可以为人们提供丰富的生产资料和食用来源。而海水栽培条件下容易形成盐害，引发海水胁迫，加剧植株光抑制程度，影响作物生长发育，因此研究作物在海水胁迫下的生理和分子生物学机制，具有明显的理论和实践价值，并且为陆地盐碱地的开发和利用提供了某些通用技术。本文先以2个耐性性不同的菠菜（SpinaciaoleraceaL.）品种为试材，采用水培方法，研究了海水胁迫对不同品种叶绿素代谢的影响;然后主要以耐海水品种‘荷兰3号’为试材，研究海水胁迫下菠菜叶片叶黄素循环调控叶绿素代谢的机理。主要结果如下:
　　海水胁迫下，耐海水品种‘荷兰3号’和海水敏感品种‘圆叶菠菜’叶片的叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)和总叶绿素含量以及叶绿素合成前体——原叶绿素酸(Pchl)、镁原卟啉Ⅸ(Mg-protoⅨ)、原卟啉Ⅸ(ProtoⅨ)和尿卟啉原Ⅲ(UroⅢ)含量明显降低，而胆色素原(PBG)和δ-氨基酮戊酸(ALA)积累，其中‘圆叶菠菜’的变化幅度大于‘荷兰3号，。海水胁迫下，‘荷兰3号’叶片的叶绿素酶(Chlase)活性无显著变化，酶胆色素脱氨酶(PBGD)和尿卟啉原Ⅲ合酶(UROS)活性在胁迫第3天显著下降;而‘圆叶菠菜’Chlase活性显著上升，PBGD和UROS活性显著下降。这些结果表明，在海水胁迫下，菠菜叶片的叶绿素合成代谢受阻，受阻位点在于PBG→UroⅢ的转化过程，其中‘圆叶菠菜’的受阻程度大于‘荷兰3号’;耐海水品种‘荷兰3号’叶片叶绿素含量降低主要由叶绿素合成代谢受阻引起，而海水敏感品种‘圆叶菠菜’叶绿素含量的降低则是由叶绿素合成受阻和叶绿素降解共同作用的结果。
　　海水胁迫与甲基紫精(MV)处理一样，诱导菠菜叶片产生氧化胁迫，使超氧阴离子(O2·-)产生速率、过氧化氢(H2O2)含量和丙二醛(MDA)含量显著上升，叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)、总叶绿素(Chla+b)和类胡萝卜素(Car)含量显著下降，最大光量子产量（Fv/Fm）、实际光量子产量(Yield)、电子传递速率(ETR)和光化学猝灭系数(qP)显著降低，而非光化学猝灭系数(NPQ/4)显著上升;海水胁迫与MV处理下，由叶柄导入叶黄素循环活性抑制剂二硫苏糖醇（DTT），菠菜叶片活性氧(ROS)大量积累，导致光合色素降解加剧，Fv/Fm、Yield、ETR、NPQ、qP进一步下降。上述结果表明，海水胁迫下，抑制菠菜叶片叶黄素循环活性，降低了叶片非辐射能量耗散能力，加重了叶片ROS积累，从而导致光合色素含量降低，PSⅡ活性下降，电子传递速率降低，用于光化学反应的能量部分减少，光合作用受到严重影响，说明海水胁迫下叶黄素循环在保持菠菜叶片光合色素稳定和光合作用正常运转中发挥重要作用。
　　处理第3天，与海水胁迫处理相比，导入DTT后，菠菜叶片叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)和总叶绿素含量以及叶绿素合成前体——原叶绿素酸(Pchl)、镁原卟啉Ⅸ(Mg-protoⅨ)、原卟啉Ⅸ(ProtoⅨ)和尿卟啉原Ⅲ(UroⅢ)含量显著下降，胆色素原(PBG)和δ-氨基酮戊酸(ALA)含量显著累计，胆色素脱氨酶(PBGD)活性显著降低，叶绿素酶(Chlase)活性显著提高;超氧阴离子(O2·-)产生速率、过氧化氢(H2O2)含量和丙二醛(MDA)含量显著上升，ROS进一步累计。上述结果表明，海水胁迫下，抑制菠菜叶片叶黄素循环活性，降低了叶片非辐射能量耗散能力，加重了叶绿体ROS积累，从而加剧了叶绿素合成障碍，促进了叶绿素进一步降解，最终降低了菠菜叶片叶绿素含量。说明海水胁迫下叶黄素循环在维持菠菜叶片叶绿素代谢正常运转发挥重要作用。
　　以菠菜叶片为材料，克隆了菠菜叶绿素合成相关酶PBGD基因片段，并且采用半定量RT-PCR技术进行了不同处理下PBGD基因表达分析。结果表明:该基因片段长度为389bp，编码129个氨基酸，推导的氨基酸与苋菜同源性最高，为90％。半定量RT-PCR分析表明，海水胁迫显著抑制PBGD表达，导入DTT后，PBGD表达进一步下降。说明海水胁迫下，抑制菠菜叶片叶黄素循环活性，通过下调菠菜叶片叶绿素关键酶PBGD基因表达，降低PBGD活性，影响了菠菜叶片叶绿素的正常合成。

目录

声明

摘要

缩略词表

前言

第一章 文献综述

1 逆境胁迫下活性氧的产生及其毒害效应

1．1 活性氧的产生

1．2 活性氧的毒害

2 植物体内的叶黄素循环及其功能

2．1 叶黄素循环及调控

2．2 叶黄素循环的主要功能

3 盐胁迫与植物叶绿素代谢

3．1 植物叶绿素代谢

3．2 盐胁迫对植物叶绿素含量及代谢的影响

4 PBGD和Chlase研究现状

4．1 PBGD研究现状

4．2 Chlase研究现状

第二章 海水胁迫对菠菜叶绿素代谢的影响

1 材料和方法

1．1 试验材料

1．2 材料培育与处理设置

1．3 测定方法

1．4 数据分析

2 结果与分析

2．1 海水胁迫对菠菜生长的影响

2．2 海水胁迫对菠菜叶片Chla和Chlb含量的影响

2．3 海水胁迫对菠菜叶片Pchl、Mg-ProtoⅨ、ProtoⅨ和UroⅢ含量的影响

2．4 海水胁迫对菠菜叶片ALA和PBG含量的影响

2．5 海水胁迫对菠菜叶片PBGD和UROS活性的影响

2．6 海水胁迫对菠菜叶片Chlase活性的影响

3 讨论

第三章 抑制叶黄素循环对海水胁迫下菠菜叶片活性氧代谢与叶绿素荧光特性的影响

1 材料和方法

1．1 试验材料

1．2 材料培育与处理设置

1．3 测定方法

1．4 数据分析

2 结果与分析

2．1 抑制叶黄素循环活性对海水胁迫下菠菜叶片叶黄素循环组分的影响

2．2 抑制叶黄素循环活性对海水胁迫下菠菜叶片ROS水平和膜质过氧化的影响

2．3 抑制叶黄素循环活性对海水胁迫下菠菜叶片光合色素含量的影响

2．4 抑制叶黄素循环活性对海水胁迫下菠菜叶片叶绿素荧光特性的影响

3 讨论

第四章 叶黄素循环对海水胁迫下菠菜叶绿体活性氧水平和叶绿素代谢的影响

1 材料和方法

1．1 试验材料

1．2 材料培育与处理设置

1．3 测定方法

1．4 数据分析

2 结果与分析

2．1 抑制叶黄素循环活性对海水胁迫下菠菜叶片PBGD活性的影响

2．2 抑制叶黄素循环活性对海水胁迫下菠菜叶片Chlase活性的影响

2．3 抑制叶黄素循环活性对海水胁迫下菠菜叶片叶绿素及前体物质含量的影响

2．4 抑制叶黄素循环活性对海水胁迫下菠菜叶绿体内O2-产生速率、H2O2和MDA含量的影响

3 讨论

第五章 菠菜PBGD基因片段的克隆及表达分析

1 材料和方法

1．1 材料与处理

1．2 测定方法

2 结果与分析

2．1 RNA完整性检测

2．2 PCR产物的克隆

2．3 SpPBGD基因的序列分析

2．4 SpPBGD基因的表达分析

3 讨论

全文结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢